Wasserstoff-Wohnhaus

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Im Ahrntal/Südtirol wurde ein Wasserstoff-Wohnhaus realisiert, das aufhorchen lässt. Unseres Erachtens ist dieses Pilotprojekt ein sehr wichtiger Meilenstein der Energiewende.

Erneuerbare Energie unabhängig von Jahreszeiten und Witterung

Beim Einsatz von erneuerbaren Energien aus Wind, Wasser oder Sonne entstehen oftmals Ungleichheiten zwischen dem Bedarf und der gerade verfügbaren Energie. Die Energieproduktion der erneuerbaren Energieformen hängt von vielen Faktoren ab und ist jahreszeiten- sowie witterungsabhängig. Wo im Sommer oftmals Energieüberschüsse entstehen, besteht im Winter das Problem, dass nicht genügend Energie produziert werden kann. Die Firma „GKN Sinter Metals“ (Niederlassung Bruneck) will mit einer innovativen und patentierten Methode Abhilfe schaffen, welche Wasserstoff energieeffizient und kompakter als in bisherigen Druckbehältern speichern und abrufen kann. Der eingelagerte Wasserstoff kann über Jahre hinweg weitgehend ohne Energieverlust, wie man sie von Batterien kennt, nahezu verlustfrei und CO2-neutral gespeichert werden.

Wasserstofftechnik früher und heute

Bereits in den 80er Jahren gab es erste Häuser z.B. in der Schweiz und in Schweden, die mit Hilfe von selbst erzeugtem Wasserstoff autark und umweltfreundlich funktionierten. Damals waren die technischen Möglichkeiten noch nicht ausgereift. Wasserstoff musste z.B. in großen Druckbehältern gespeichert werden, die theoretisch auch explodieren können. Die damals umgesetzten Projekte wurden deshalb letztendlich aus Sicherheitsgründen verboten. Die Wirtschaft war damals leider auch noch nicht bereit, die Wasserstofftechnik weiter zu entwickeln und zur Marktreife zu bringen. Nun aber kommt weltweit Bewegung in diese für die Energiewende wichtige Wasserstofftechnik und die Firma GKN hat in einer mehrjährigen Entwicklungsphase ein neues Verfahren entwickelt, wie Wasserstoff sicher gespeichert werden kann. 

“Bei der Besichtigung dieses Wasserstoff-Hauses hatte ich das Gefühl, dass dieses Pilotprojekt bei der Entwicklung einer nachhaltigen Energieversorgung noch Geschichte schreiben wird.”

Winfried Schneider, Geschäftsführer IBN

Knappenhaus im Ahrntal

Seit langem ist die eigene Wasserturbine ein wichtiger Teil vom Knappenhaus im Ahrntal (Kasern, Gemeinde Prettau, ca. 1.400 m Höhe). Das umfangreich sanierte und ausgebaute Gebäude wurde nie an das Stromnetz angeschlossen. Heute verbraucht ein Haushalt aber deutlich mehr Strom als früher und im Winter nimmt die Stromerzeugung durch den frostbedingt geringeren Wasserzufluss deutlich ab. Mit einem 2019 realisierten neuartigen Feststoff-Speicher für Wasserstoff von GKN, welcher die Energie über längere Zeiträume speichern kann, wurde dieses Manko behoben. Mit dem Strom der Turbine wird der Wasserstoff produziert, in recycelbaren Metallpellets (Eisen-Titan-Legierung) gespeichert und bei Bedarf – hier vor allem im Winter – mit Hilfe einer Brennstoffzelle in nutzbaren Strom und auch Wärme umgewandelt. Das Gebäude bleibt unabhängig und kann mit der Energie aus dem Sommer im Winter versorgt werden – ganz ohne Emissionen.

1 Vorne das umfangreich sanierte Bauernhaus, hinten das Technikgebäude
2 Technikgebäude
3 Wasserturbine (8 kW)
4 800 Liter-Heizungspufferspeicher (rechts)
5 Übersicht Anlagenkonzept
6 Eisen-Titan-Ronde als Wasserstoffspeicher
7 Übersicht aktuelle Messwerte

Marktreife

Diese Technik ist faszinierend und zukunftsweisend und nach Aussage von Peter Oberparleiter, GKN-Geschäftsführer, bereits marktfähig, wenn auch noch sehr teuer. Auf Basis dieses Pilotprojektes, das auch als Testanlage dient, geht es nun darum, die Anlagen kleiner und kostentechnisch günstiger zu machen. Da hier eine weltweit aufgestellten Firma wie GKN die Entwicklung vorantreibt, sollte es gelingen, dass bald bezahlbare und marktreife Module zur Verfügung stehen und somit die Energieversorgung mit regional verfügbaren erneuerbaren Energien aus Wind, Wasser und Sonne in Kombination mit Wasserstoff als Energiespeicher ganzjährig gesichert werden kann. 

In Planung ist bereits ein weiteres größeres Wasserstoff-Projekt im Pustertal. Zudem steht die Firma GKN mit einem großen italienischen Schiffsbauer in Verbindung, der ein Testschiff auf Wasserstoffbasis bauen möchte.

8 Wohnraum
9 Typischer Südtiroler Bauernofen mit Ofenbrücke (Schlafmöglichkeit über dem Ofen) und Ofenbank
10 Schlafzimmer mit Zirbenholz

TECHNIK-DETAILS

Wasserturbine
Die Pelton-Wasserturbine generiert den elektrischen Strom für das Knappenhaus und wird aus einer Quelle rund 100 Höhenmeter oberhalb des Hauses gespeist. Bei einem Normaldruck von 10 bar liefert die Turbine maximal ca. 8 kW. Leistungsüberschüsse, welche beispielsweise bei geringem Stromverbrauch in der Nacht entstehen, werden für die elektrolytische Wasserstoffproduktion genutzt.

Heizungspufferspeicher
Der Heizungspufferspeicher ist ein kombinierter Wärmespeicher im Bereich von 20 bis 90 °C. Er versorgt sowohl die Heizungsanlage als auch die Warmwasserversorgung im Haus. Gespeist wird der 800 Liter große Speicher mit der Abwärme der Elektrolyse (überwiegend im Sommer) und der Abwärme der Brennstoffzelle (überwiegend im Winter). Zur Sicherheit kann zusätzlich die Pelletheizung das Wasser im Speicher erhitzen.

Akkumulator
Der Akkumulator wird für die konstante und ausreichende Stromversorgung des Knappenhauses benötigt, um eine 120-sekündige Anlaufverzögerung der Brennstoffzelle bei der Rückverstromung des gespeicherten Wasserstoffes zu überbrücken. Im Testsystem wird diese Lücke von 4 Lithium-Eisenphosphat Akkumulatoren mit rund 10 kWh Speicherkapazität abgedeckt.

Wasserstoffaufbereitung Elektrolyse
Für den Elektrolyseprozess wird Wasser mit einer Leitfähigkeit von unter 0,1 µS benötigt. Dafür muss das lokale Quellwasser aufbereitet werden. Die Reinigung erfolgt per Umkehrosmose und einem Ionenaustauscher.

Wasserstoffspeicher
Das zentrale Element des Systems ist der Wasserstoffspeicher, bestehend aus 8 Speicherflaschen, die im Vergleich zu Druckbehältern deutlich kompakter sind. Jede Speicherflasche ist mit 82 gepressten Metallpellets gefüllt. Das Metall reagiert mit Wasserstoff zu Metallhydrid und speichert den Wasserstoff chemisch bei maximal 40 bar. Jeweils 4 Flaschen können separat angesteuert werden. Jede Flasche wiegt rund 100 kg. Darin kann rund 1 kg Wasserstoff mit einem Energiegehalt von 33 kWh, gespeichert werden, der je zur Hälfte für die Erzeugung von Wärme und elektrischem Strom in der Brennstoffzelle genutzt wir.
Zum Vergleich: In einem Brennstoffzellenauto reicht diese Energiemenge für eine Fahrstrecke von rund 100 km, im Knappenhaus könnte man damit ca. 1 Stunde warm duschen und auch noch 16 Mal Wäsche waschen. Entsprechend kann das Gesamtsystem mit seinen 8 Speicherflaschen einen 4-Personen-Haushalt ca. 12 Tage mit Strom versorgen und das Haus zusätzlich 6 Tage beheizen.

Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle wandelt den gespeicherten Wasserstoff bei Bedarf in elektrischen Strom. Sie besteht wie die Elektrolyse aus einer Feststoffmembran, arbeitet jedoch genau umgekehrt. Sobald der Bedarf des Hauses nicht mehr durch die Turbine gedeckt wird, greift ein Regler auf den Akkumulator des Speichersystems zu und entlädt diesen. Diese Entladung startet zugleich die Brennstoffzelle. Die Steuerung leitet Wärme vom Heizungspufferspeicher zum Wasserstoffspeicher, wodurch die Metallhydrid-Bindungen gelöst werden. Der freigesetzte Wasserstoff fließt zur Brennstoffzelle und generiert elektrischen Strom. Die Abwärme der Brennstoffzelle hält den Kreislauf so lang aufrecht, bis die Akkumulatoren wieder vollständig geladen sind. Die kompakte Einheit ist auf rund 6 kW elektrische Leistung gedrosselt und liefert mit einem Wirkungsgrad von rund 50 % Strom und Wärme.

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3 Comments

  1. Insgesamt überzeugt mich das Konzept nicht und aus meiner Sicht wird der Abdruck in der Geschichtsschreibung eher dünn bleiben.

    Für die, die es interessiert, folgt hier, warum:

    Wenn ich richtig rechne, können die 8 Flaschen in Summe Wasserstoff mit einem nominellen Energiegehalt von 264kWh speichern.
    Für die Brennstoffzelle ist der Wirkungsgrad mit 50% angegeben (das ist dafür sehr viel, aber ich glaube es mal), bleiben 132kWh. Beim Elektrolyseur fehlt die Angabe. Nehmen wir mal 65% an. Bleiben knapp 86kWh Energie, die im besten Fall aus der Quellenergie, also dem von der Wasserturbine erzeugten Strom, genutzt werden können – das ist ein knappes Drittel.
    Die Verluste durch Nebenaggregate (Druckpumpe, …) lasse ich mal außen vor, aber auch die Abwärmenutzung zur Heizung.
    Aktuell wird davon ausgegangen, dass ein moderner Batteriepack fertig für gut 100$/kWh hergestellt werden kann, d.h. ein fertiges 100kWh-System kostet 10000$ (jedenfalls ist dies ein Preis, den man gegenüber einer Pilotanlage auf jeden Fall annehmen kann). Dieses bietet bei üblichen Systemwirkungsgraden von minimal 85-90% wenigstens oben verfügbare die Kapazität von 86%, ließe sich aber leicht nach oben oder unten skalieren.
    Mit Anschluss und Wandlerelektronik und in Euro landet man dann vielleicht bei 20000-30000€. Wenn man möchte, dazu noch eine Wärmepumpe für den gleichen Preis für die Heizung.
    Für roundabout 50000€ also ein fertiges, effizienteres und deutlich wartungsärmeres System, dass man so am Markt kaufen könnte. Was hat nun die Anlage in diesem Pilothaus gekostet? Bei üblichen wenigstens 5000-10000€ pro kW Leistung kostet allein die Brennstoffzelle 30000-60000€, ohne die restliche Technik.
    Übrigens: Die Gesamtkapazität über die Lebensdauer (bis die Batterien nur noch 70% Restkapazität haben) dürfte bei der Batterie bei deutlich über 100MWh liegen, bei (unrealistischen) 6kW Dauerentnahme würden damit schon knapp 17000 Betriebsstunden erreicht (und laufen würden es immer noch). Bei (realistischeren) maximal 2kW Durchschnittsentnahme bleiben 50000 Betriebsstunden plus Betrieb mit <=70% Kapazität. Die Lebensdauer der Brennstoffzelle liegt bei 5000-40000h und dann muss sie ausgetauscht werden. Preis siehe oben. Lebensdauerangaben zu anderen Komponenten wie 40bar-Wasserstoffpumpen oder den Druckbehältern (sowie den Kosten für deren regelmäßige Prüfung) liegen mir nicht vor. (Und: Wer meine Preisschätzung für fraglich hält, darf sich gerne mal anschauen, dass ein Tesla Model 3 mit 50kWh Akku ohne Förderung momentan ~48000€ kostet, inkl. 7kW Heizung. Ein VW eUp! – auch mit Heizung – kostet ~22000€ mit 32kWh Batterie. Also Auto und Optimierung für Auto raus (z.B. geringes Gewicht und Größe, sehr hohe Lade- und Entladeleistung, etc.) und man sieht, dass die Schätzung grob passen dürfte.)

    Reply
  2. Das ist ja einmal eine echte Alternative zur Wärmepumpe. Klasse. Vielen Dank.

    Reply
  3. Faszinierend! Das macht richtig Hoffnung. Danke fuer diesen sehr informativen Artikel!

    Reply

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Quellenangaben und/oder Fußnoten:

Bilder: Institut für Baubiologie + Nachhaltigkeit IBN

Autor
Winfried Schneider

Winfried

Schneider, IBN

Architekt und Geschäftsführer des Institut für Baubiologie + Nachhaltigkeit IBN in Rosenheim

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